第1节 化学反应的热效应 第4课时（教学设计）化学鲁科版2019选择性必修1

第1节 化学反应的热效应 第4课时 反应焓变的计算 一、知识目标 1.掌握反应焓变的计算方法，包括根据键能计算、根据焓值计算以及根据盖斯定律计算。 2.理解盖斯定律的含义，能熟练运用盖斯定律进行反应焓变的计算，掌握设计路径法和加合法。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观的化学反应热效应出发，深入理解反应焓变的概念；从微观的化学键和物质的焓值角度，分析和计算反应焓变。 2.证据推理与模型认知：通过对不同化学反应焓变计算的实例分析，建立反应焓变计算的模型，依据相关数据和定律进行合理的推理和计算。 3.科学探究与创新意识：通过对难以直接测定反应焓变的化学反应进行路径设计和计算，培养科学探究精神和创新思维，体会盖斯定律在化学研究中的重要作用。 一、教学重点 1.反应焓变的计算方法。 二、教学难点 1.盖斯定律。 2. 盖斯定律的应用以及运用不同方法准确计算反应焓变。 本节教学内容出自化学反应原理中第一章《化学反应与能量转化》的《反应焓变的计算》。反应焓变的计算在整个化学反应原理的知识体系中占据着关键位置，它是对化学反应热效应知识的深化和拓展，为后续深入研究化学反应的能量变化规律奠定了坚实基础。通过学习反应焓变的计算，学生能够更准确地理解化学反应中能量的转化情况，对于认识化学反应的本质和实际应用具有重要意义。 按照课程标准要求，本节重点聚焦于反应焓变的计算方法以及盖斯定律的理解与应用。 教材首先通过探究利用一些已知反应的焓变来计算其他反应的焓变，引发学生对这些数据获取方式的思考，从而自然地导入新课。接着，以具体的化学反应为例，引导学生探究如何测定难以直接测定的反应焓变，进而引出盖斯定律。在讲解反应焓变的计算方法时，详细介绍了根据键能计算、根据焓值计算以及根据盖斯定律计算这三种常见方法，并配备了丰富的课堂例题进行巩固和应用。 教学对象为初高中学生，他们正处于知识体系逐步构建和思维能力快速发展的阶段。在初中化学学习中，学生已经对化学反应中的能量变化有了初步的感性认识，了解了一些简单的吸热和放热反应。然而，对于反应焓变的具体概念和计算方法，他们的认识还比较模糊，尚未形成系统的知识体系。 在思维方面，学生正从形象思维向抽象思维过渡，对于一些抽象的概念和复杂的计算方法理解起来可能存在一定困难。但他们具有较强的好奇心和求知欲，对新的知识充满兴趣，渴望通过学习来解决实际问题。 此外，学生在之前的学习中已经掌握了一定的化学基础知识和实验技能，这为学习反应焓变的计算提供了一定的基础。但在应用这些知识进行综合计算和分析时，可能还存在一定的不足。 因此，在教学过程中，教师应充分考虑学生的实际情况，结合具体的实例和形象的比喻，帮助学生理解抽象的概念和复杂的计算方法。同时，要注重引导学生进行思考和讨论，培养他们的思维能力和创新精神，逐步提高学生的化学学科素养。 教学环节一 新课导入 【展示表格】同学们，我们在之前的学习中了解了反应热研究的是化学反应前后焓的变化。现在大家看看课件上展示的这么多常见无机化合物和有机化合物在时的标准生成焓数据，不禁让人思考，这么多的数据是如何获得的呢？ 【提问】化学反应不计其数，而且受反应条件的限制，有些反应焓变很难直接测定，不同温度下，同一反应的反应焓变也不相同。如果每个化学反应的反应焓变都要通过实验测定，大家觉得可能吗？比如对于+ O2 = 2CO这个反应，它的反应焓变能直接测得吗？ 【学生回答】不能，因为该反应总是伴随着CO2的产生。 设计意图 通过展示大量标准生成焓数据，引发学生对数据获取方式的思考，再结合具体反应说明直接测定反应焓变的困难，激发学生的探究欲望，自然地引入本节课关于反应焓变计算的主题。 教学环节二 盖斯定律 活动一：温故知新 【提问】同学们，在开始今天的课程之前，请大家思回顾一下反应热研究对象是什么，放热反应与吸热反应的焓变有什么区别呢？ 【学生回答】反应热研究的是化学反应前后焓的变化。放热反应的ΔH＜0，即反应物的焓大于生成物；吸热反应的ΔH＞0，即反应物的焓小于生成物。 设计意图 通过问题让学生回顾反应热、焓变和吸放热反应的区别，检测学生对知识的掌握。 活动二：课堂思考引入 【讲解】同学们，我们来看一个生活中的例子，登山时上升的高度与登山路径无关。在化学世界里，在指定状态下，各种物质的焓都是确定的，那么反应焓变有类似的种规律吗？ 设计意图 通过登山高度与路径的类比，激发学生的学习兴趣，引入对盖斯定律的探究。 活动三：探究反应的焓变 【提问】我们已经知道，反应的焓变无法直接测量，请根据教材思考：我们能否设计路径使之可计算？ 【学生回答】可以设计路径计算，根据反应：①= 2CO（ ；② ；③ ，由，可得 【讲解】非常好，一个化学反应无论是一步完成的还是分几步完成，反应热都是一样的。在一定条件下，化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应进行的途径无关。下列表格就是相关反应的焓变数据，请同学们进行相关计算。 ① 2C(s) + O2(g) = 2CO(g) ΔH1 = ② 2CO(g) + O2(g) = 2CO2(g) ΔH2 = -566.0kJ/mol ③ 2C(s) + 2O2(g) = 2CO2(g) ΔH3 = -787.0kJ/mol 【学生回答】∆H1 = ∆H3 - ∆H2 =-221.0 kJ/mol 设计意图 通过提出问题和展示数据，引导学生计算反应的焓变，激发学生的探究欲望，为引出盖斯定律做铺垫。 活动四：探究反应N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g)的焓变 【提问】设计路径计算反应N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g)的焓变。 【学生回答】①N2(g)+O2(g)=2NO(g) ；②2NO(g)+O2(g)=2NO2(g) ；N2(g)+2O2(g)=2NO2(g)，所以。 【提问】下列表格就是相关反应的焓变数据，请同学们进行相关计算。 ① N2(g)+O2(g)=2NO(g) ΔH1 = +180.0kJ/mol ② ②2NO(g)+O2(g)=2NO2(g) ΔH2 = -112.3kJ/mol ③ N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) ΔH3 = 【学生回答】=+67.7kJ/mol 设计意图 通过提出问题和展示数据，引导学生计算反应N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g)的焓变，激发学生的探究欲望，为引出盖斯定律做铺垫。 活动五：盖斯定律 【讲解】以上两个焓变的计算体现了一个重要的规律，即一个化学反应无论是一步完成的还是分几步完成，反应热都是一样的。在一定条件下，化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应进行的途径无关，这就是盖斯定律。 设计意图 总结盖斯定律的内容，让学生认识到盖斯定律在计算反应焓变中的作用。 活动六：盖斯定律的意义 【讲解】盖斯定律为反应热的研究提供了极大的方便，使一些不易测定或无法测定的化学反应的反应热可以通过推算间接求得。盖斯定律可以用于计算那些反应速率很慢、副反应较多和不容易直接发生的化学反应的焓变。 设计意图 讲解盖斯的意义与盖斯定律的适用对象，让学生对盖斯定律有更深层的认识。 活动七：盖斯定律的应用 【提问】已知，在298K时下列反应焓变的实验数据： C(s,石墨)+O₂(g)=CO₂(g)ΔH₁=-393.5kJ·mol⁻¹ CO(g)+1/2O₂(g)=CO₂(g)ΔH₂=-283.0kJ·mol⁻¹ 计算此温度下C(s,石墨)+1/2O₂(g)=CO(g)的反应焓变。 【学生回答】 ①C(s,石墨)+O₂(g)=CO(g)ΔH₁=-393.5kJ·mol⁻¹ ②CO₂(g)=CO(g)+1/2O(g)ΔH₂'=-ΔH₂=+283.0kJ·mol⁻¹ ③C(s,石墨)+1/2O₂(g)=CO(g)ΔH₃=ΔH₁+ΔH₂'=-110.5kJ·mol⁻¹ 设计意图 通过题目让学生感受到盖斯定律的应用，加深学生对盖斯定律的掌握。 活动八：典例精讲 【典例1】根据下列方程式，设计路径求得C(s)+2H₂O(g)=CO₂(g)+2H₂(g)ΔH₃ C(s)+H₂O(g)=CO(g)+H₂(g)ΔH₁=+131.5kJ/mol C(s)+CO₂(g)=2CO(g)ΔH₂=+172.5kJ/mol 【学生回答】ΔH₃+ΔH₂=2ΔH₁，故ΔH₃=2ΔH₁-ΔH₂=+90.5kJ/mol 【典例2】已知在微生物的作用下，NH4+ 经两步被氧化成NO3- ，两步反应的焓变如图所示。 NH4+被氧化成NO3-的焓变示意图 根据图示信息，计算1 mol NH4+ (aq)全部被氧化成NO3- (aq)的ΔH。 【学生回答】根据图示两步反应： 1. NH₄⁺ → NO₂⁻，ΔH₁ = -273 kJ/mol 2. NO₂⁻ → NO₃⁻，ΔH₂ = -73 kJ/mol 总反应：NH₄⁺ → NO₃⁻ ΔH = ΔH₁ + ΔH₂ = -273 + (-73) = -346 kJ/mol 设计意图 通过例题巩固学生对盖斯定律的理解，培养学生运用知识解决问题的能力。 教学环节三 反应焓变的计算 活动一：温故知新 【提问】请同学们总结一下计算反应焓变的方法。 【学生回答】可以根据键能算，用物质的焓值，还有盖斯定律计算反应焓变。 【讲解】非常好我们学过的反应焓变计算方法主要有三种：一是根据化学键的键能计算；二是根据反应物和反应产物的焓值计算；三是根据盖斯定律，通过已知反应的焓变推导未知反应的焓变。这节课我们就来深入探究这三种方法的具体应用 设计意图 通过回顾旧知，激活学生已有的知识储备，明确本节课的学习主题，为后续深入探究每种计算方法做好铺垫，形成知识的连贯性。 活动二：根据键能计算反应焓变 【提问】键能与反应焓变的关系是什么？计算的公式又是什么呢？ 【学生回答】断裂化学键需要吸收能量，形成化学键会释放能量。反应焓变应该是断裂反应物化学键吸收的能量与形成产物化学键释放的能量之差。公式是 ΔH = 反应物的键能总和 - 反应产物的键能总和 【讲解】同学们回答的和正确，要注意：化学键数=，比如说：1 mol P4含有6 mol P—P键；1 mol 晶体硅含有2 mol Si—Si键；1 mol 石墨晶体中含有1.5 mol C—C键；1 mol 金刚石含有2 mol C—C键；1 mol SiO2含有4 mol Si—O键，接下来我们练习几道例题。 【例1】白磷与氧气可发生如下反应：P4(g)＋5O2(g)=P4O10(g)。已知断裂下列化学键需要吸收的能量分别为P—P a kJ·mol－1、P—O b kJ·mol－1、P=O c kJ·mol－1、O=O d kJ·mol－1，根据图示的分子结构和有关数据估算该反应的ΔH，其中正确的是(　　) A、(6a＋5d－4c－12b) kJ·mol－1 B、(4c＋12b－6a－5d) kJ·mol－1 C、(4c＋12b－4a－5d) kJ·mol－1 D、(4a＋5d－4c－12b) kJ·mol－1 【学生回答】A 【讲解】要计算这个反应的焓变（ΔH），我们可以用“断键吸收的能量”减去“成键释放的能量”。先看反应物断键：P₄ 分子中有 6 个 P-P 键，每个键能是 a，所以断键吸收6a 5个O₂分子，每个有一个 O=O 双键，键能是 d，共吸收：5d断键总共吸收：6a + 5d再看生成物成键（释放能量）：P₄O₁₀中有 4 个 P=O 双键，每个键能是 c，共释放：4c还有 12 个 P-O 单键，每个键能是 b，共释放：12b成键总共释放：4c + 12b所以整个反应的焓变 ΔH =（吸收的）－（释放的）即：ΔH = (6a + 5d) - (4c + 12b) = 6a + 5d - 4c - 12b因此，正确答案是 A。 【例2】乙苯催化脱氢制苯乙烯反应： 已知： 化学键 C-H C-C C=C H-H 键能 /(kJ・mol⁻¹) 412 348 612 436 计算上述反应的△H＝________ kJ·mol－1。 【学生回答】△H＝+124kJ·mol－1 【讲解】乙苯变成苯乙烯，是脱去两个氢原子，形成一个双键和一个氢气分子。这个过程：断键：断了2个 C-H 键，需要吸收能量：2 × 412 = 824 kJ/mol成键：生成了1个 H-H 键 和 1个 C=C 双键（相比原来的 C-C 单键，多出一个 π 键）实际新增的键能是：H-H 键：436 kJ/molC=C 比 C-C 多出：612 - 348 = 264 kJ/mol共释放：436 + 264 = 700 kJ/molΔH = 吸收 - 释放 = 824 - 700 = +124 kJ/mol所以答案是 +124 kJ·mol⁻¹，反应吸热。 【例3】已知共价键的键能与热化学方程式信息如下表： 共价键 H- H H-O 键能/(kJ·mol-1) 436 463 热化学方程式 2H2(g) + O2 (g)=2H2O(g)  ΔH= -482kJ·mol-1 则2O(g)=O2(g)的ΔH 为（ ） A、428 kJ·mol-1 B、-428 kJ·mol-1 C、498 kJ·mol-1 D、-498 kJ·mol-1 【学生回答】B 【讲解】已知：2H₂ + O₂ → 2H₂O，ΔH = -482 kJ/mol H-H 键能 = 436，H-O 键能 = 463断键吸热：2×436 + O=O键能；成键放热：4×463 = 1852；ΔH = 吸热 - 放热 = -482解得：O=O 键能 = 498 kJ/mol所以：2O → O₂ 时，放出 498 kJ 能量，ΔH = -498 kJ/mol故选B 设计意图 通过具体例题，让学生掌握根据键能计算焓变的步骤，理解 “断键吸热、成键放热” 的本质，培养学生分析化学键变化与能量关系的能力。 活动三：据焓值计算反应焓变 【提问】除了键能，我们还可以通过物质的焓值计算反应焓变。焓值与反应焓变的关系公式是什么？ 【学生回答】反应的焓变等于反应产物的焓值总和减去反应物的焓值总和，即 ΔH = 反应产物的焓值总和 - 反应物的焓值总和。 【例1】理论研究表明，在101 kPa和298 K下，HCN(g) ⇌HNC(g)异构化反应过程的能量变化如图所示。下列说法错误的是 (　　) A、HCN比HNC稳定 B、该异构化反应的ΔH＝＋59.3 kJ·mol－1 C、1mol HCN的化学键断裂吸收186kJ的能量 D、使用催化剂，可以改变反应的反应热 【学生回答】D 【讲解】A. HCN比HNC稳定：正确。因为HCN的相对能量为0.0 kJ/mol，而HNC的相对能量为59.3 kJ/mol，说明HCN的能量更低，更稳定。B. 该异构化反应的ΔH = +59.3 kJ·mol⁻¹：正确。从图中可以看出，反应物HCN到产物HNC的能量差为59.3 kJ/mol，因此ΔH = +59.3 kJ·mol⁻¹。C. 1 mol HCN的化学键断裂吸收186 kJ的能量：正确。图中显示了HCN分子内部化学键断裂时需要吸收186.5 kJ的能量。D. 使用催化剂，可以改变反应的反应热：错误。催化剂只能降低反应的活化能，加快反应速率，但不能改变反应的始态和终态的能量差，即不能改变反应热ΔH。所以，选项D是错误的。 【例2】一定条件下，在水溶液中1 mol Cl－、ClO（x＝1，2，3，4）的能量（kJ）相对大小如右图所示。 ① D是________（填离子符号）。 ② B→A＋C反应的热化学方程式为_________________________（用离子符号表示）。 【学生回答】ClO4－ 3ClO－(aq)＝2Cl－(aq)＋ClO3-(aq)△H＝－117 kJ/mol 【讲解】① D是ClO₄⁻：正确。D点对应的氯元素化合价为+7，因此D代表的是ClO₄⁻。② B→A+C反应的热化学方程式：B点对应ClO⁻（x=1），能量为60 kJ/mol。A点对应Cl⁻，能量为0 kJ/mol。C点对应ClO₃⁻（x=5），能量为63 kJ/mol。反应过程为：ClO⁻ → Cl⁻ + ClO₃⁻能量变化计算： ΔH = (产物总能量 - 反应物总能量) = (0 + 63) - 60 = 3 kJ/mol因此，B→A+C反应的热化学方程式为： ClO⁻(aq) → Cl⁻(aq) + ClO₃⁻(aq)，ΔH = +3 kJ/mol 设计意图 通过能量示意图和具体反应，帮助学生理解焓值的物理意义，掌握用焓值计算焓变的方法，建立 “物质能量高低与反应吸放热” 的关联认知。 活动四：根据盖斯定律计算反应焓变——设计路径法 【问题】请同学们观察课件上的图示，若反应物变为反应产物，有哪两个途径？这两个途径的反应热之间有什么关系？ 【学生思考】由直接变成，反应热为；由变成，变成，每步的反应热分别为、。可得出。 【讲解】同学们回答的很好，盖斯定律指出，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而与反应的途径无关。就像我们从一个地方到另一个地方，无论走哪条路，起点和终点确定了，路程的变化量是固定的。所以对于反应物到产物的反应，不管是直接反应还是分两步反应，反应热的总和是相等的。下面我们练习一道例题。 【例1】写出石墨变成金刚石的热化学方程式（25℃,101kPa时） 查燃烧热表知： ①C(石墨，s)+O₂(g)=CO₂(g) ΔH₁=-393.5kJ/mol ②C(金刚石，s)+O₂(g)=CO₂(g) ΔH₂=-395.0kJ/mol 【学生回答】C(石墨，s)= C(金刚石，s) ; △H=+1.5kJ/mol 【讲解】ΔH1＝ΔH＋ΔH2故ΔH＝ΔH1-ΔH2=+1.5kJ/mol 设计意图 通过创设难以直接测量反应焓变的情景以及例题，引发学生的思考，激发学生的学习兴趣，自然地引入盖斯定律及设计路径法。通过问题引导学生观察和思考，培养学生的分析和归纳能力。 活动五：根据盖斯定律计算反应焓变——加合法（寻找目标法） 【讲解】我们已经学习了根据盖斯定律计算反应焓变的设计路径法，接下来我们学习另一种方法——加合法，也就是寻找目标法。这种方法最重要的是抓住唯一物质，将系数和位置统一，第1步：正确写出化学方程式。第2步：跟踪目标方程式的反应物和产物，寻找△H之间的关系，计算△H。我们接下来通过例题感受以下。 【例1】某次发射火箭，用N2H4（肼）在NO2中燃烧，生成N2、液态H2O。已知： ①N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H1=+67.2kJ/mol ②N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l) △H2=-534kJ/mol 假如都在相同状态下，请写出发射火箭反应的热化学方程式。 【学生回答】2N2H4(g)+ 2NO2(g)= 3N2(g)+4H2O(l) △H=-1135.2kJ/mol 【讲解】2N2H4(g)在②式，方向一致，系数不同，则△H2变为2△H2；2NO2(g)在①式，方向不同，则△H1变为-△H1；故△H= 2△H2 -△H1 【例2】焦炭与水蒸气反应、甲烷与水蒸气反应均是工业上制取氢气的重要方法。这两个反应的热化学方程式分别为： ①C(s)＋H2O(g) = CO(g) ＋ H2 (g) ΔH1=+131.5kJ/mol ②CH4(g)＋ H2O(g)= CO (g)＋3H2(g) ΔH2=+205.9 kJ/mol 试计算 CH4 (g) = C(s)＋2H2(g) 的ΔH。 【学生回答】CH4 (g) = C(s)＋2H2(g) ΔH=-ΔH1+ ΔH2 =+74.4kJ/mol 设计意图 通过具体的例题，引导学生学习加合法的应用，培养学生分析问题和解决问题的能力。通过教师的讲解和强调，让学生掌握加合法的关键要点。 第一节 化学反应的热效应 第4课时 反应焓变的计算 一、盖斯定律 1.内容：一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成，反应热相同。反应热只与始态和终态有关，与途径无关。 2.意义：方便计算不易测定或无法测定反应的反应热 3.计算方法 o虚拟路径法 o加合法 2、 反应焓变的计算 1.根据键能计算 o公式：ΔH＝反应物的键能总和－反应产物的键能总和 o常见物质化学键数：1 mol P4含6 mol P—P键等 2.根据焓值计算 o公式：ΔH＝反应产物的焓值总和－反应物的焓值总和 3.根据盖斯定律计算 o设计路径法：ΔH＝ΔH1＋ΔH2 o加合法（寻找目标法） o步骤：写方程式；跟踪目标找△H关系计算 1.下列关于盖斯定律描述不正确的是（A） A.化学反应的反应热不仅与反应体系的始态和终态有关，也与0反应的途径有关 B.盖斯定律遵守能量守恒定律 C.利用盖斯定律可间接计算通过实验难测定的反应的反应热 D. 利用盖斯定律可以计算有副反应发生的反应的反应热 2.下列关于如图所示转化关系的说法不正确的是（B） A.△H3＜0 B.△H1 + △H2 + △H3 = 0 C.按照Cl、Br、I的顺序，△H2依次减少 D. 一定条件下，拆开1 mol气态HX需要吸收a kJ能量，则该条件下△H3 = -2a kJ/mol 3.黑火药是中国古代的四大发明之一，其爆炸的热化学方程式为S（）＋2KNO3（）＋3C（）=K2S（）＋N2（）＋3CO2）ΔH＝x kJ·mol－1 已知：碳的燃烧热ΔH1＝a kJ·mol－1 S）＋2K（=K2S（　ΔH2＝b kJ·mol－1 2K（＋N2（）＋3O2）=2KNO3）　ΔH3＝c kJ·mol－1 则x为(A) A.3a＋b－c B.c－3a－b C.a＋b－c D. c－a－b 4.已知下列反应的反应热 CH3COOH(l)+2O2(g)=2CO2(g)+2H2O(l) △H1= -870.3 kJ/mol C(s) + O2 (g) = CO2(g) △H2= -393.5 kJ/mol H2(g) + 1/2O2(g) =H2O(l) △H3= -285.8 kJ/mol 试计算下述反应的反应热： 2C(s)+2H2(g)+ O2(g) = CH3COOH(l) △H 【答案】-488.3 kJ/mol 在本次教学中，通过实例引入盖斯定律，学生对其概念和意义的理解较为顺利，但在应用盖斯定律进行反应焓变计算时，部分学生在设计路径和加合法的运用上存在困难。在根据键能和焓值计算反应焓变时，学生对化学键数的确定和焓值的运用不够熟练。在今后的教学中，应加强对计算方法的针对性训练，多提供不同类型的例题和练习，让学生在实践中加深理解和掌握。同时，要注重引导学生分析问题的思路，培养他们解决实际问题的能力。在教学过程中，还可以增加一些互动环节，及时了解学生的困惑并给予解答。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$